降低運動(dòng)控制應用中可聞噪聲的三種出色方式

隨著(zhù)家庭和辦公室開(kāi)放式布局設計的出現以及日漸轉向混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)，愈發(fā)需要更安靜、高效的電機控制。即使是非常小的聲學(xué)差異，也會(huì )對可聞噪聲造成顯著(zhù)影響。

在圖 1 中，您可以看到生活空間中的電器如何影響整體噪聲水平。利用具有更高功率密度、更高集成度和更高效系統的電機控制電路等先進(jìn)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)，可幫助您實(shí)現更出色的系統聲學(xué)性能。一些其他策略包括使用連續脈寬調制 (PWM) 的矢量磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法，減少振動(dòng)的特定控制算法，以及應用死區時(shí)間補償和 PWM 生成來(lái)降低可聞噪聲的集成控制。

圖 1：開(kāi)放式廚房和客廳的可聞噪聲

由于這些不同的產(chǎn)品和策略都可以降低運動(dòng)控制應用中的可聞噪聲，因此可能很難確定哪種策略更適合您的應用。在本文中，我將以 BLDC 集成控制柵極驅動(dòng)器為例，列出降低運動(dòng)控制應用中可聞噪聲的三種出色方式。想要了解更多關(guān)于運動(dòng)控制的內容，可閱讀我們運動(dòng)控制系列技術(shù)文章第一篇“如何在工業(yè)驅動(dòng)器中實(shí)現精密的運動(dòng)控制”。

PWM

用于降低電機控制應用中可聞噪聲的第一種策略是連續 PWM。PWM 是一種技術(shù)，通過(guò)導通和關(guān)斷晶體管來(lái)產(chǎn)生輸出波形，從而讓電機電壓在給定時(shí)間處于高電壓或低電壓狀態(tài)。然后，電機中的電感對這些波形進(jìn)行濾波，以便基本上平均輸出波形。調整占空比（波形導通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間之比）將改變平均電壓。圖 2 展示了使用 PWM 生成正弦波的一個(gè)示例。

圖 2：使用 PWM 生成正弦波的示例

例如，德州儀器 (TI) MCF8315A BLDC 集成控制柵極驅動(dòng)器是一款無(wú)傳感器 FOC 電機驅動(dòng)器，可實(shí)現連續和非連續空間矢量 PWM 方案。連續調制有助于減小低電感電機的電流紋波，但由于所有三個(gè)相位互相交錯，因此會(huì )導致更高的開(kāi)關(guān)損耗。非連續調制的開(kāi)關(guān)損耗更低（因為一次只有兩個(gè)相位互相交錯），但電流波紋更高。在圖 3 和圖 4 中，您可以看到連續和非連續 PWM 的差異。

圖 3：相電流波形與快速傅里葉變換 (FFT) 非連續 PWM 之間的關(guān)系

圖 4：相電流波形與 FFT 連續 PWM 之間的關(guān)系

死區時(shí)間補償

用于降低電機控制應用中可聞噪聲的第二種策略是死區時(shí)間補償。在電機控制應用中，在半橋中高側和低側金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管的開(kāi)關(guān)之間插入死區時(shí)間可避免發(fā)生擊穿。插入死區時(shí)間后，相節點(diǎn)上的預期電壓與施加的電壓會(huì )有所不同，相節點(diǎn)電壓會(huì )在相電流中引入不必要的失真，進(jìn)而導致可聞噪聲。

要管理這種額外的噪聲，工程師可以利用諧振控制器集成死區時(shí)間補償，以便控制相電流中的諧波分量，從而緩解因死區時(shí)間導致的電流失真，如圖 5 所示。

圖 5：無(wú)傳感器 FOC 死區時(shí)間補償分析

例如，TI 的 MCF8316A BLDC 集成控制柵極驅動(dòng)器（一款無(wú)傳感器 FOC 電機驅動(dòng)器）采用此內置功能來(lái)優(yōu)化多種電機頻率下的聲學(xué)性能，如圖 6 所示。

圖 6：實(shí)施 PWM 調制和死區時(shí)間補償來(lái)優(yōu)化 MCF8316A 聲學(xué)性能

可變換向模式

用于降低電機控制應用中可聞噪聲的最后一種策略是可變換向模式。在梯形換向中，有兩種主要配置：120 度和 150 度。120 度梯形換向可能會(huì )導致更多的聲學(xué)噪聲，因為較長(cháng)的高阻抗周期會(huì )導致扭矩波紋增大，如圖 7 和 8 所示。150 度梯形換向只能在低速下運行，因為檢測過(guò)零的窗口期很短。

為了應對這些挑戰并提高聲學(xué)性能，工程師可以構建能夠在 120 度梯形換向和 150 度梯形換向之間動(dòng)態(tài)切換的電機驅動(dòng)器系統。這種動(dòng)態(tài)調制可以改善 BLDC 電機控制期間的整體聲學(xué)性能。

圖 7：相電流和 FFT - 120 度換向

圖 8：相電流和 FFT - 150 度換向

例如，TI 無(wú)傳感器 BLDC 集成梯形控制柵極驅動(dòng)器（如 MCT8329 和 MCT8316）采用此內置功能來(lái)優(yōu)化多種電機頻率下的聲學(xué)性能，如圖 9 所示。

圖 9：實(shí)施具有動(dòng)態(tài)調制的可變換向模式來(lái)優(yōu)化 MCT8316A 聲學(xué)性能

結語(yǔ)

TI 在加大運動(dòng)控制技術(shù)的投資，助力構建更高效的聲學(xué)敏感型系統，其構建塊旨在滿(mǎn)足聲學(xué)要求。當您設計系統時(shí)，請記得采用這三種出色方式來(lái)降低電機控制應用中的可聞噪聲。

其他資源

·       查看應用報告“如何使用無(wú)代碼無(wú)傳感器 BLDC 電機驅動(dòng)器降低電機噪聲”。

·       詳細了解 TI 的集成控制 BLDC 驅動(dòng)器、BLDC 電機驅動(dòng)器、基于 Arm^? 的處理器、C2000 實(shí)時(shí)微控制器和 MSP430 微控制器

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關(guān)于德州儀器（TI）

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